关于内存管理和地址转换的小小小小小总结

关键词:32bit分页,物理地址扩展分页,四级页表,ARM的地址转换,CR3寄存器,虚拟地址到物理地址的映射

因为在ipad上画图比较好操作,这篇笔记就直接上传手写版了。把线性地址到物理地址部分的转换理了一下,以后有补充会做更新。



Linux在v2.6.11后最终采用四级页表的方案

四级页表的作用主要就是地址映射,将逻辑地址映射到物理地址。




ARM MMU的地址转换过程实际上更加复杂,通过两级页表实现,转换方式有两大类共四种情况,具体的可以看这篇博客https://blog.csdn.net/sinat_41104353/article/details/82778822

关于地址转换的计算这里再添加一个实例

已知系统使用IA-32分页,现知道一个虚拟地址0x10036270,需要将该虚拟地址转换为物理地址。若已知CR3寄存器中的值为0x7401000,转化的过程如下:


1. 虚拟地址为0x10036270(00010000 00000011 01100010 01110000)

22-31bit为PDI值(00 0100 0000),12-21bit为PTI值(00 0011 0110 ),0-11bit为地址偏移(010 0111 0000)

2.页目录项PDE的地址=PDI×4+PDB(CR3)=0x40×4+0x740100=0x7401100

3.知道PDE物理地址后即可知道该物理地址中存储的值,比如假设该物理地址存储的值为0x28cf9067。PTE的值由PDE值的12-31bit及虚拟地址的12-21bit构成(0-11bit根据12bit填充为0),可得到PTE的物理地址=0x28cf9058

4.假设该物理地址中的值为0x182a7071,物理地址的值由PTE值的12-31bit及偏移地址构成。

最终得到物理地址=0x28cf9000+0x270=0x28cf9270。

以上为IA-32分页虚拟地址转物理地址的过程。



下面是一些补充

关于虚拟地址到物理地址的转换

由于在内存中存储的一般是虚拟地址,而在物理内存中地址定位的一定是物理地址,因此计算虚拟地址(线性地址)到物理地址的映射关系是内存分析的关键。

虚拟地址到物理地址的映射计算需要使用到一个基本规则:在同一个虚拟地址页面上的内容,也在同一个物理页面。

比如,在物理内存管理中,页的大小一般为4KB、2MB、4MB,都大于或等于0x1000(4KB)。根据上述的规则,虚拟地址0xffdff000-0xffdfffff就应该映射到同一个物理页面上。而计算系统的页目录基地址是计算内存映射的关键,如果在0xffdff000-0xffdfffff中找到指向系统页目录基地址的指针就会解决地址映射的问题。

在上部分的笔记中能看到,CR3寄存器是非常重要的一个寄存器,它记录的是页目录基地址(或页目录指针基地址、或PLM4基地址),如果能得到CR3寄存器的内容,那么就有可能得到现成的页目录基地址。

这里以《内存取证原理与实践》的例子,先大概描述一下利用CR3的虚拟地址找到其物理地址的方法

以64位win7操作系统为例,_KPRCB 的结构成员ProcessorState是一个_KPRROCESSOR_STATE结构,起始地址为0xfffff80045eff80+0x40,在0x0处是SpecialRegister成员,偏移0x010处就是CR3寄存器,它的虚拟地址为0xfffff80045eff80+0x40+0x10。

而根据上述提到的基本规则我们可以知道,它和0xfffff800045efe00在同一个页面中,那么所以它的物理地址=0xFFFFF800045EFE00的物理地址+0x180(这两个地址的差值)+0x40+0x10。

关于页的分页方式和页的大小则由以下过程确定:

1. 根据CR3寄存器的内容找到它指向的物理地址。

2. 判断该地址处的第一个字节,如果不是0x01则跳转至第三步,否则表明其使用了PAE模式,从这个地址开始的8byte是页目录指针。根据待转换的虚拟地址的第31~30 bit选择页目录指针。例如,如果待转换的地址是0x8054c2b8(10000000 01010100 11000010 10111000),则页目录指针表的第三项(二进制10)为指向页目录的指针,根据这个指针可找到页目录基地址。

根据页目录基地址和虚拟地址的第21~20bit确定待转换虚拟地址对应的页目录项。例如,如果待转换的地址是ox8054c2b8,则第21~29bit是000000010(0x02),则从页目录基地址加上8×2开始的8个字节就是所找的页目录项。

3. 判断该地址处的第一个字节最高位,如果是“1”,则表明使用的大页模式;如果是“0”,则表明它指向页表。

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